Giáo trình:
Công nghệ tạo phôi nâng cao

37
Chơng 4
Một số thiết bị thông dụng trong rèn dập
4.1. Máy búa không khí nén4.1.1. Khái niệm
Máy búa không khí nén làm việc nhờ không khí đa vào từ xi lanh nén của
chính bản thân máy. Theo đặc trng tác dụng của không khí lên piston công tác, ngời
ta chia thành máy búa tác động đơn và máy búa tác động kép. Theo số xi lanh chia ra
loại một xi lanh và loại hai xi lanh. Theo số phơng pháp dẫn hớng đầu búa, chia ra
máy không có dẫn hớng và máy có dẫn hớng. Theo cách bố trí buồng đệm chia ra
máy có buồng đệm trên và dới. Theo cấu tạo cơ cấu phân phối hơi chia ra máy có
khoá ngang và van trụ. Theo loại thân máy: máy một trụ và 2 trụ.
Máy búa đợc chế tạo phổ biến là loại 2 xi lanh tác động kép có 2 khoá ngang
và một khoá không tải có khối lợng phần rơi 75 ữ 1000 kg.
4.1.2. Nguyên lý tác dụng của máy búa không khí nén
Nhờ nhận đợc chuyển
động từ động cơ qua hộp giảm
tốc và cơ cấu biên - trục
khuỷu, piston nén chuyển
động qua lại nén không khí
trong xi lanh để đa vào xi
lanh công tác. Chuyển động
của piston nén là chuyển động
một bậc tự do và đợc xác
định bằng góc quay của trục
khuỷu (Hình 4.1).

: Khi piston nén từ vị trí ban đầu chuyển động
xuống dới, áp suất trong buồng dới của 2 xi lanh tăng lên, còn áp suất trong các
buồng trên giảm. Đến một lúc nào đó áp suất các buồng dới tăng đủ để thắng trọng
lợng bộ phận rơi, lực ma sát và áp lực của không khí buồng trên và xi lanh công tác,
piston công tác bắt đầu đợc nâng lên. Góc tơng ứng với thời điểm đó gọi là góc đầu
búa rời khỏi vật rèn
1
.
Tại thời điểm =
1

2
= 180
0
(Hình 4.2b): sự thay đổi áp suất không khí
các buồng trên và dới phụ thuộc vào sự thay đổi tổng thể tích các buồng trên và dới
của 2 xi lanh và tơng ứng với quá trình đoạn nhiệt P.V = const.
Khi =
2
= 180
0
piston nén ở vị trí dới cùng, buồng trên xi lanh nén thông
với ngoài trời còn buồng dới kín.
Khi =
2
: chuyển động tiếp theo của 2 piston theo cùng một hớng. Khi =
3

piston công tác đóng rãnh thông giữa 2 buồng trên của 2 xi lanh. Do sự tăng dần trở lực
của không khí trong buồng đệm và sự giảm áp suất trong các buồng dới, chuyển động

5

< 360
0
.

4
c.
Theo A
Theo A
Theo A
A
A
A
a.
b.
= 0

2
f
1
f
2
f
3
f
4
Hình 4..2. Vị trí của xilanh công tác và xilanh nén.

5

: nâng và chuyển động tiếp theo xuống dới của piston công tác từ lúc
đóng buồng đệm đến lúc mở buồng đệm.

4
-
5
: piston công tác chuyển động xuống dới từ lúc mở buồng đệm đến lúc
va đập.
Góc quay của trục khuỷu để nâng piston công tác (
1
-
b
) rất lớn so với góc quay
(
b
-
5
) khi piston công tác chuyển động xuống dới. Trong máy búa
1
40
0
,
b

270
0
và
5
= 340 ữ 360
0
Hình 4.3- Giản đồ chu trình của máy
búa (a) và nguyên lý của máy búa
(b).
Chú thích: Đờng nét đậm biểu diễn piston nén và piston công tác chuyển động
cùng hớng.
4.1.3. Tính toán máy búa
Ta thấy rằng: khi trục khuỷu quay một vòng,chuyển động của piston công tác
đợc chia ra 4 giai đoạn riêng biệt. Để dể tính toán ta ký hiệu:
G - trọng lợng phần rơi; M - khối lợng phần rơi.
- vận tốc góc của trục khuỷu; n
0
- số vòng quay của trục khuỷu;
n - hệ số đoạn nhiệt; r - bán kính trục khuỷu; l - chiều dài biên;
h - chiều cao ban đầu của vật rèn; h

- chiều cao của buồng đệm;
H

- hành trình của của đầu búa tính từ mặt trên của piston công tác đến buồng
đệm; k - hệ số biên k = r/l;
H - hành trình lắp ráp của piston công tác tính từ mặt trên của piston đến nắp
xilanh khi piston công tác ở vị trí dới cùng và không có vật rèn;

điểm đang xét;
P

- áp suất tuyệt đối của không khí ở buồng trên xilanh công tác tại thời điểm
đóng buồng đệm; P
0
- áp suất của môi trờng;

0
,
1
,
2
- hệ số tính đến lực ma sát khi đầu búa đứng yên, chuyển động lên
trên và chuyển động xuống dới;
V
1
, V
2
- thể tích của các buồng dới, các buồng trên ở tại thời điểm đang xét;
a/ Xác định góc rời khỏi vật rèn
1
Trong phần 0
0
< <
1
: đầu búa dừng ở vị trí dới. Trong phần đó tổng thể tích
các buồng dới và các buồng trên V
1
và V

2
-
0
.G = 0
Biến đổi phơng trình trên ta có:









+

=
02
4
01
3
0
0
V
f.n.C
V
f.n
P
q.
S

02
02
faSV
V
PP

=

b/ Hành trình đoạn 1 của máy từ
1
< <
2
:

()
2
2
12212011
dt
xd
MG.P.fffPP.f =+
(4.3)
Trong đoạn 1, piston nén và công tác đều chuyển động, giải phơng trình trên ta đợc:
()
[]
()
()
+

+= cosqqcosBqsinA

Giáo trình:
Công nghệ tạo phôi nâng cao

41

()
( )
()
1q
cosqcosBqsinAb
qcosqa.j
2
1
11111
11
2
11
2

+
+=

Trong đó:
2
1
11
1
l
g.f
4

f.f
V
f.f
G
r.g.n.P
b
.









+=
02
2
2
01
2
10
2
1
V
f
V
f
G

V.p
P

+
=
.

[]
n
422202
n
02
0
2
f.Sf.XV
V.p
P

+
=

ở thời điểm =
2
buồng trên của piston nén thông với ngoài trời nên P
2
= P
0
. Bởi
vậy nếu >
2

242202
n
02
S.fX.fV
V
1R


+
=

Từ đẳng thức trên ta thấy rằng khi thiết kế sao cho f
2
.X

2
= f
4
.S

2
thì R

= 0 tức
là P
2
= P
0
. Do đó khi buồng trên xilanh nén thông với ngoài trời thì sự giảm áp suất
không xảy ra.

qcosvqsinqcosXav
2
22222
22
2
1
22122212

+
+

+

++=

X
1
= X

2
; v
1
= v

2
Trong đó X
1
, v
1
là đờng đi và tốc độ của đầu búa ở cuối giai đoạn 1 (tại thời

2
2
22
22122
22
212

Trong đó:
2
2
02
12
2
l
G
g.R.P.f
g.
4
k
1b
a








+





+=
02
2
2
01
2
10
2
2
V
f
V
f
G
g.n.P
l
;

=
2
2
l
q22222222

S.fH.fV
V
PP
n
4202
n
02
00

Trong đó, S

= S

3
- hành trình của máy tại thời điểm đóng rãnh thông giữa các
buồng trên của 2 xilanh.
H

= X

3Khi >
3
áp suất trong buồng đệm P

sẽ tính theo công thức:
P


1
0
n
0
Z1
1
P
Xh
h
P
h
h
PP







=










X
1
h


h 0 0,2 0,4 0,6 0,8

Hình 4.4Để đơn giản cho tính toán ta chia đờng cong ra một số phần và thay thế từng
phần bằng các đoạn thẳng nối điểm đầu và điểm cuối của đoạn cong. Các đoạn thẳng
có phơng trình tổng quát:

()







n
- hoành độ điểm đầu và cuối của đoạn thẳng
X - hành trình của máy búa lúc cuối (lúc đang xét);
X
n
- tổng chiều sâu ban đầu sử dụng piston trong buồng đệm;
Đối với đoạn thẳng thứ nhất: X
n
= 0; Đối với đoạn thẳng thứ 2: X
n
= X
1
.
Đối với đoạn thẳng thứ 3: X
n
= X
1
+ X
2
;
Đối với đoạn thẳng thứ 4: X
n
= X
1
+ X
2
+ X
3
.
Phơng trình chuyển động của đầu búa ở đoạn 3:

3
333333
33
3
2
332333

++
+
+

++=
(4.7)
Trong đó:
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình:
Công nghệ tạo phôi nâng cao

44

( )
2
3
0
0
nn
n
02
2,13
3


01
310
3
V.G
f.f.R.g.n.P
b
=








+=


h
k
.
P
P

33333333
qsinsinqcoscosqB
+=

Tốc độ đầu búa và gia tốc đầu búa đợc tính: () ( )(
()
()
)
1qw
asinaqcosBaqcosAb
qcosvqsinq.Xav
2
3
33333
33233323

+
+

++=

() ( )()






S.fH.fV
PP








+
+
=



Trong đó S

là đờng đi của piston nén tại thời điểm đóng rãnh thông giữa các
buồng trên của 2 xilanh.
áp suất buồng dới 2 xilanh vẫn tính theo công thức:

[]
n
3101
n
01
0
1
f.Sf.XV